专利名称：三相外转子双凸极永磁无刷发电机的制作方法
技术领域：
本发明是一种关于新型永磁发电机的结构设计技术，属于电机设计的技术领域。
背景技术：
近年来能实现变速恒频的发电系统得到了越来越广泛的重视和应用，例如独立或并网的风力发电系统、可移动独立发电系统等，原动力可以是风力、柴油机或汽油机，目前变速恒频发电系统的发电机主要有三种，分别是双馈异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。双馈异步电机成本较低，但结构复杂，可靠性差，体积较大，目前主要应用于大容量的并网型发电机组。永磁同步电机用高性能永磁体替代了同步电机的转子励磁系统，因而永磁同步电机属无刷电机，效率高，体积小。但永磁同步电机永磁体位于转子上破坏了转子的整体结构，降低了转子的机械强度，永磁同步电机不宜用于转子高速运转的场合，另外永磁同步电机转子上的永磁体散热比较困难，定子采用的分布式绕组比开关磁阻电机的集中绕组端部更长，安装更费时。开关磁阻电机结构特别简单，定转子均为齿状凸极结构，转子采用硅钢片冲制叠压而成，定子上的电枢为集中式绕组，预先绕制并直接套在定子齿上，转子上无电刷、无绕组、无永磁，因此开关磁阻电机具有极高的可靠性。但开关磁阻电机主要靠磁阻转矩工作，电机的出力受到一定的限制，而且，开关磁阻发电机的功率输出回路要采用可控的功率器件，增加了成本和控制系统的复杂程度，目前开关磁阻电机主要应用于一些特殊场合如用作飞机的起动发电机。
双凸极永磁电机是基于开关磁阻电机的定转子双凸极结构并引入永磁体而形成的新型电机，这种电机首先是在上世纪90年代中期由美国威斯康辛-麦迪逊大学的Lipo教授提出的。尽管从结构上两种电机具有相似性，但这两种电机分属两种不同类型的电机，开关磁阻电机属于磁阻类电机，而双凸极永磁电机属于永磁电机。两者的工作原理也完全不同，在双凸极永磁电机中，一个周期内合成磁阻转矩近似为零，能对外做功的力是由永磁磁场的作用产生的，因而双凸极永磁电机可以一方面继承开关磁阻电机的结构简单、可控参数多、可靠性高等优点，另一方面通过引入高性能的永磁体，可以大幅提高电机的单位体积功率输出和减小逆变电源供电的容量。
发明内容
技术问题本发明的目的是在双凸极永磁电机的基本原理的基础上，提出一款三相外转子双凸极永磁无刷发电机，这种发电机主要适用于汽油机或柴油机作原动力的中小型可移动独立发电系统和小型风力独立发电系统，能实现发电系统的变速恒频运行。
1.技术方案本发明的三相外转子双凸极永磁无刷发电机具有定子在内、转子在外的结构形式，永磁体和电枢绕组都位于定子上，定子通过四个安装孔固定于机座，转子通过外壳及轴套座与转轴连接；在定子的轭部沿圆周均匀分布有4块永磁体，该4块永磁体的极性沿圆周按N、S、S、N、N、S、S、N形式分布，由永磁体提供发电机的励磁磁场，定子的外圆周上均匀分布12个凸极；转子的内圆周上均匀分布8个凸极，位于定子面对面的两个极和与其连线垂直的面对面的两个极上，共四个极的集中绕组串联成一相绕组，组成互成120°电角度差的三相电枢绕组，ABC三相绕组在定子12个凸极空间上呈A、B、C、A、B、C、A、B、C、A、B、C分布。
定子与转子的极弧宽度要满足设定的条件，即当定子的极弧宽度为βs＝0.5θcr＝π/12时，转子极弧宽度βr≥βs；当定子极弧宽度βs＜0.5θcr时，转子极弧宽度βr＝π/12。
本发明为三相外转子双凸极永磁无刷发电机，双凸极永磁无刷发电机的输出经过三相可控或不可控整流获得直流电压，对直流电压逆变就可获得恒定频率的交流输出，输出的频率不随发电机转速和负载的变化而变化。
有益效果1、双凸极永磁无刷发电机继承了开关磁阻电机的优点，转子上无电刷、无永磁、无绕组，可靠性高，高速性能好。定子上的电枢绕组为集中式绕组，端部短，安装方便。电枢绕组和永磁体均位于定子上，比较容易进行冷却设计。
2、克服了开关磁阻电机功率密度低、供电逆变电源容量大和效率低的缺点，还可以采用二极管整流桥实施不可控整流，降低了成本和控制系统的复杂程度。
3、特殊的外转子结构可以有效增大发电机的转动惯量，较大的转子转动惯量可以储存更多机械动能，用以平衡负载或原动机输出力的波动引起的短时转速变化，采用这种外转子发电机结构可以省去汽油或柴油发动机的储能飞轮。
4、定子12极/转子8极组成的三相发电机整流后可获得比单相和两相发电机更低的纹波系数，与定转子8/6极四相发电机相比，相同几何尺寸三相发电机功率要略高(大约相差1.125倍)，而且四相发电机需要比三相发电机增加一个整流回路。
5、一般情况下，由于定子凸极上有安装电枢绕组的需要，定子凸极高度要大于转子的凸极高度，因此相同外形尺寸的发电机，外转子将比内转子拥有更大的气隙直径，也就是说，只要选择合适的高性能永磁体材料满足发电机建立气隙磁场的要求，同样外形尺寸的外转子发电机将比内转子发电机拥有更大功率的输出能力。
图1是为三相外转子双凸极永磁无刷发电机的截面图。
图2是永磁磁链和感应电压波形图。
图3是图1的A-A剖面示意图。
以上的图中有定子1、转轴2、转子3、电枢绕组4、永磁体5、轴套座6、外壳7。
具体实施例方式
该发电机具有定子在内、转子在外的结构形式，永磁体和电枢绕组都位于定子侧，定子通过四个安装孔固定，转子上无绕组、无电刷、无永磁，转子通过外壳及轴套座与转轴连接。在定子的轭部均匀分布有4块(根据不同结构也可采用二块或多块)钕铁硼稀土永磁体，该4块永磁体5的极性沿圆周按N、S、S、N、N、S、S、N形式分布，由稀土永磁体提供发电机的励磁磁场。定子均匀分布12个凸极，外转子均匀分布8个凸极，定转子均为硅钢片叠片结构。转子凸极数少于定子凸极数可以减小电机内磁场的变化频率，从而降低转子高速运转时的铁芯磁滞和涡流损耗，同时整流电路的功率器件也工作在较低频率，故这种发电机结构特别适合于高速驱动的汽油机或柴油机独立发电电源。位于定子(2)面对面的两个极和与其连线垂直的面对面的两个极上，共四个极的集中绕组串联成一相绕组，组成互成120°电角度差的三相电枢绕组，ABC三相绕组在定子12个凸极空间上呈A、B、C、A、B、C、A、B、C、A、B、C分布。为了保证空载时永磁磁链随转子位置角线性变化，定子与转子的极弧宽度要满足一定的条件，即当定子的极弧宽度为βs＝0.5θcr＝π/12时，转子极弧宽度βr≥βs；当定子极弧宽度βs＜0.5θcr时，βr＝π/12。满足这个条件的双凸极永磁无刷发电机每相下的定转子重叠区域不随转子角的变化而变化，保证每相的气隙磁导基本保持不变，理想情况下，发电机将感应出矩形的电势波形，如图2所示。发电机的安装方式如图3所示，定子直接固定于机座，转子与发电机机壳和转轴固定在一起，转轴采用普通低碳钢材制作，为减少漏磁在定子与转轴之间留有较大的附加气隙，发电机转轴可以直接是汽油机的转轴的延长部分。
以一台三相外转子12/8极双凸极永磁无刷发电机为例，其截面图如图1所示，内定子上有12个均匀分布的凸极，外转子上有8个均匀分布的凸极。用厚度为0.5mm的硅钢片按图1所示的形状冲成定子冲片和转子冲片，用足够的冲片叠压成定子铁芯和转子铁芯，在定子铁芯上均匀分布4块永磁体。在每个定子凸极上套一个线圈，电空间处于相同位置凸极上的线圈经串联或并联构成一相绕组，12个定子凸极上的线圈共组成三相电枢绕组。
以下是一台额定功率PN＝1000W，额定转速nN＝3600rpm，额定相电压峰值170V，额定相电流3.5A的三相外转子12/8极双凸极永磁无刷发电机的主要设计数据转子外径150mm，转子内径118mm，硅钢片叠片长22mm，气隙长0.45mm，定子极弧13.5°，定子极高18mm，转子极弧15°，转子极高6mm，每相绕组匝数为342匝，永磁体为钕铁硼稀土永磁，尺寸为22mm×21.55mm×6mm，定转子冲片均采用0.5mm厚的硅钢片叠压。
本发明的特征是采用高性能稀土永磁体置入发电机的内定子轭部，依靠较小体积的永磁体使发电机产生足够强的气隙磁场，从而可以设计出具有外转子结构的双凸极永磁无刷发电机。双凸极永磁无刷发电机具有开关磁阻电机相似的定转子双凸极结构，在定子轭部置入高性能稀土永磁体用以产生气隙工作磁场，故双凸极永磁无刷发电机属于永磁电机范畴，该电机一周内的磁阻合成转矩等于零，转子上同开关磁阻电机一样无电刷、无永磁、无绕组，具有很高的鲁棒性和可靠性。电枢绕组和永磁体均位于定子上，比较容易进行冷却设计。外转子双凸极永磁无刷发电机具有很高的功率密度和发电效率，特别适合于可移动独立发电系统和小型风力独立发电系统，该发电机技术的推广应用，将极大地促进我国相关产业的发展。
权利要求
1.一种三相外转子双凸极永磁无刷发电机，其特征在于该发电机具有定子(2)在内、转子(1)在外的结构形式，永磁体(5)和电枢绕组(4)都位于定子(2)上，定子(2)通过四个安装孔固定于机座，转子(1)通过外壳(7)及轴套座(6)与转轴(3)连接；在定子(2)的轭部沿圆周均匀分布有4块永磁体(5)，该4块永磁体(5)的极性沿圆周按N、S、S、N、N、S、S、N形式分布，由永磁体(5)提供发电机的励磁磁场，定子(2)的外圆周上均匀分布12个凸极；转子(1)的内圆周上均匀分布8个凸极，位于定子(2)面对面的两个极和与其连线垂直的面对面的两个极上，共四个极的集中绕组串联成一相绕组，组成互成120°电角度差的三相电枢绕组，ABC三相绕组在定子12个凸极空间上呈A、B、C、A、B、C、A、B、C、A、B、C分布。
2.根据权利要求1所述的三相外转子双凸极永磁无刷发电机，其特征在于定子(2)与转子(1)的极弧宽度要满足设定的条件，即当定子(2)的极弧宽度为βs＝0.5θcr＝π/12时，转子(1)极弧宽度βr≥βs；当定子(2)极弧宽度βs＜0.5θcr时，转子(1)极弧宽度βr＝π/12。
全文摘要
三相外转子双凸极永磁无刷发电机是一种关于新型永磁发电机的结构设计技术，该发电机具有定子(2)在内、转子(1)在外的结构形式，永磁体(5)和电枢绕组(4)都位于定子上，定子通过四个安装孔固定于机座，转子(1)通过外壳(7)及轴套座(6)与转轴(3)连接；在定子(2)的轭部沿圆周均匀分布有4块永磁体(5)，该4块永磁体(5)的极性沿圆周按N、S、S、N、N、S、S、N形式分布，定子的外圆周上均匀分布12个凸极；转子(1)的内圆周上均匀分布8个凸极，位于定子面对面的两个极和与其连线垂直的面对面的两个极上，共四个极的集中绕组串联成一相绕组，组成互成120°电角度差的三相电枢绕组。
文档编号H02K21/38GK1753287SQ20051009497
公开日2006年3月29日 申请日期2005年10月24日 优先权日2005年10月24日
发明者程明, 张建忠 申请人:东南大学